负载型钛干凝胶吸附剂的制备及其对As(Ⅲ)的吸附性能评价

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吸附法除砷具有经济、高效、操作简便等优点,是含砷水处理和净化中的首选技术。近年来,钛基吸附剂因性质稳定、毒性小、对砷的亲和力高等优点逐渐受到关注。通过溶胶-凝胶法制备得到的钛干凝胶材料(TAX)对As(Ⅲ)具有高吸附容量(254 mg/g),受共存离子影响小,呈现出良好的应用潜力。但该材料仍存在一些不足:(1)吸附速率低;(2)固定床水力损失,限制了其实际应用。为解决上述问题,本文将TAX做了负载处理,通过载体筛选和合成方案优化,得到了负载型钛干凝胶吸附剂TAX@D201,评价了其吸附As(Ⅲ)的性能及实际应用的可行性。具体研究内容和结论如下:(1)以不同类型的活性炭、海绵、水凝胶及树脂为载体,采用溶胶凝胶-浸渍法制备了负载型TAX吸附剂。通过比较含钛量、固载能力、吸附容量及吸附速率,确定强碱性阴离子大孔树脂D201为最适于负载TAX的载体。TAX@D201的含钛量最高可达5%,是TAX@活性炭的4倍;TAX@D201在静态吸附过程中不会泄露TAX粉末;TAX@D201对As(Ⅲ)的吸附速率和吸附容量分别是TAX的4.8倍和7倍。(2)进一步优化了TAX@D201的合成方案,包括钛源的种类、原料添加顺序、浸渍时间、钛与乙酰丙酮的摩尔比、水解比和干燥方式。采用扫描电镜、透射电镜、电位滴定等多种表征手段研究了TAX@D201的理化特征。优化所得TAX@D201的Ti-OH活性位点浓度是TAX的4倍。采用不同的动力学和等温线模型评价了TAX@D201的吸附性能,比较相关系数(R2)选择合适的拟合模型。准二级动力学模型拟合得到TAX@D201的初始吸附速率为3.70 mg/(g·min),较TAX提升了近20倍(0.18 mg/(g·min));Freundlich等温线模型拟合得到TAX@D201的吸附容量约为534 mg/g。(3)评估了TAX@D201吸附As(Ⅲ)的实际应用潜力。首先,通过批量吸附实验考察了溶液p H、共存阴离子和腐殖酸对吸附性能的影响。在p H 3.0-11.0范围内,TAX@D201对As(Ⅲ)的吸附能力几乎不受p H的影响。常见共存阴离子Cl-、SO42-、HCO3-(<1000 mg/L)和腐殖酸(<10 mg/L)对TAX@D201吸附As(Ⅲ)的影响可以忽略不计。其次,以载铁树脂为对比,以实验室模拟地下水及山西实际含砷地下水为对象,采用固定床吸附实验评估了TAX@D201的深度除砷性能。TAX@D201填充柱可以将山西地下水中的As(Ⅲ)浓度从200μg/L降低到10μg/L以下,有效处理床体积达560 BV,是相同金属负载量载铁树脂材料的2.8倍(199BV)。本文研究结果表明,通过将钛干凝胶TAX负载于大孔树脂D201,提高了TAX的吸附速率和吸附容量,为钛系吸附剂应用于含As(Ⅲ)水的处理和净化提供了新的思路。
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